基于物聯網的家禽養殖環境遠程監控系統的設計

連京華 李惠敏 孫凱 殷若新 林樹乾 宋敏訓

摘 ?要：基于物聯網設計開發了家禽養殖環境遠程監控系統，利用傳感器智能化監測養殖環境中溫度、濕度以及空氣中氨氣、粉塵濃度等重要指標，通過無線網絡傳輸至數據中心。用戶利用身邊電腦或移動終端等對數據中心進行遠程管理，從而實現對家禽養殖環境信息實時監測，并根據監測數據對養殖環境進行最佳優化調控。

關鍵詞：物聯網;養殖環境;遠程監測;控制;設計

中圖分類號：S818.9 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1673-1085（2015）07-0007-04

近年來，我國家禽業逐步以公司或集團化為養殖主體，實行大規模、愈來愈標準化的家禽生產格局。不管是養雞，還是水禽旱養，養殖環境都是極為重要的影響因素。尤其在全密閉式、高密度的現代飼養模式下，禽舍內養殖環境的控制更為重要。與家禽生產相關性較大的舍內環境因素包括溫度、濕度以及空氣中的有害氣體，如氨氣、硫化氫、粉塵、二氧化碳等和光照條件等[1]。實時監測并隨時調控這些環境指標，使家禽保持在適宜條件下，是家禽健康發育和發揮正常生產性能的必要基礎。目前，種禽生產企業較為重視養殖環境的管理和調控，一般依據對禽舍內溫度的監測指標并利用風機、濕簾等通風設備進行控制，但監測參數單一，沒有對氨氣、粉塵等重要參數進行監測，且監測技術低、智能化程度低，達不到養殖環境最佳優化和合理調控的目的，不適宜我國現代化、標準化家禽生產的需要。

隨著3G、4G網絡高速發展，互聯網絡已無處不在，特別是移動互聯網。第35次《中國互聯網絡發展狀況統計報告》顯示，截至2014年12月，中國網民規模達6.49億，互聯網普及率為47.9%，較2013年底提升2.1%，手機網民規模達5.57億，占網民總數的85.8%。2014年中國網民的人均周上網時長達26.1h。可見，隨著科技的進步，臺式微機、筆記本電腦以及智能手機、平板電腦等移動終端的普及應用，加上無處不在的有線和無線網絡，我們真正進入了互聯網時代。可以說現在家禽生產管理者的日常工作離不開微機，也離不開互聯網。特別是智能手機已成為家禽生產管理者隨身攜帶并普遍使用的移動上網工具。因此，設計開發基于物聯網的家禽養殖環境遠程監控系統，便于家禽生產管理者通過微機或智能手機等移動終端，即使在異地也可隨時隨地獲取和監控養殖環境信息，不受時間和地點區域的限制。系統的開發無疑對家禽生產的信息化、智能化管理具有重要的現實意義。

1 ?物聯網的概念

自溫家寶總理2009年8月在無錫考察時提出“感知中國”，“物聯網”一詞就成為當下社會時興的熱門詞。它是通過各種感知設備（感知層）和互聯網，連接物體與物體的，全自動、智能化采集、傳輸（傳輸層）與處理信息的，實現隨時隨地和科學管理（應用層）的一種網絡。“網絡化”、“物聯化”、“互聯化”、“自動化”、“感知化”、“智能化”是物聯網的基本特征[2]。

那么，基于物聯網技術設計的家禽養殖環境遠程監控系統，即可應用于臺式微機、筆記本電腦，也可應用于智能手機等移動終端設備，通過有線網絡、無線網絡，使家禽生產管理者在任何時間、任何地點對家禽養殖環境進行有效監控的愿望成為現實。

2 ?家禽養殖環境遠程監控系統設計方案

家禽養殖環境遠程監控系統主要由環境參數采集模塊、無線傳感網絡模塊、遠程數據傳輸模塊、數據管理模塊和短信通信模塊組成。

2.1 ?環境參數采集模塊 ?家禽養殖環境是指家禽養殖舍內的飼養小環境。影響家禽生產的環境因素有很多，我們監測對象是具有重要生產意義的環境參數，包括舍內溫度、濕度以及空氣中氨氣、粉塵濃度等。利用溫濕度傳感器、氨氣傳感器、粉塵傳感器，對上述4項環境指標進行智能化的實時數據采集。

2.2 ?無線傳感網絡模塊 ?如果利用傳統的有線網絡進行數據信息通信，不僅現場布線復雜，而且成本高，也不能滿足生產實際需要。因而，采用無線網絡傳輸技術對采集到的各路數據進行高效、可靠地傳輸，匯集到總節點。

2.3 ?遠程數據傳輸模塊 ?該模塊負責將總節點海量數據通過GPRS網絡，經Internet自動傳輸到異地數據庫，并按時間順序儲存入數據庫。供數據管理模塊使用[3]。

2.4 ?數據管理模塊 ?該模塊將上傳的各路數據信息進行儲存、分析、統計、檢索等管理和異常處理。設置Web管理服務器，負責響應和管理微機和異地移動終端的訪問，當用戶成功登錄該系統的URL地址時，Web管理服務器訪問系統數據庫提取最新監控數據，供用戶訪問、查詢。也可供用戶歷史查詢。

2.5 ?短信通信模塊 ?在數據分析和處理中，若某一路數據被“認為”異常，即超出該項環境參數設定的閾值范圍，則自動報警，同時啟動該模塊發送短信告知生產管理人員，便于及時采取環境調控措施。

3家禽養殖環境遠程監控系統設計實現

3.1 ?系統主要硬件設計 ?家禽養殖環境遠程監控系統硬件主要包括環境參數傳感器、數據采集模塊、MSP430微處理器、顯示屏、監控計算機、聲光報警器以及GSM模塊等組成。

3.1.1 ?溫濕度傳感器 ?禽舍內的溫度和濕度是家禽養殖環境調控中的重要參數。溫濕度檢測模塊設計中選用了精度高、可靠性好的SHT71傳感器。SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術的新型溫濕度傳感器， 該傳感器即可檢測溫度，又可檢測濕度，集信號調理、數字變換、串行數字通訊口及數字校準等與一體，具有免外圍元件、長期穩定等特點[4]。

3.1.2 ?氨氣傳感器 ?系統中選用了MIC系列固定式氣體檢測變送器，這是一款國際標準智能化傳感器，可以檢測空氣中氨氣的百分含量（%）濃度，并將濃度按正比關系轉換成4～20mA標準信號輸出。其技術特點為：完全實現了三線制氣體變送器的數字化、智能化;4～20mA信號和標準RS485數字信號輸出，可實時與計算機進行通訊;現場查看、設定、校準以及維護非常方便。

3.1.3 ?粉塵傳感器 ?系統中選用了光學式粉塵濃度檢測變送器，型號為DS200。其特點為可作為測試環境灰塵的參考，適用范圍0～50mg/m3;穩定時間為5min;光學原理，反應時間快;結構考慮空氣動力原理，實現自動實時采樣，可以長期使用;友好型設計，使維護更簡單;滿足國家《環境空氣質量標準》和WHO對于顆粒物的空氣質量準則值所規定的數值范圍測試要求。

3.1.4 ?數據采集模塊 ?系統使用Siemens S7-200系列PLC，應用西門子公司為其配套的Step7 Micro Win軟件編程，完成對環境各傳感器數據的采集和數據編碼[5]。

3.1.5 ?MSP430微處理器 ?根據家禽養殖環境遠程監控系統功能要求，選用了MSP430F149，是由美國德州儀器TI公司開發的16位微處理器。它的基本特點包括：具有豐富的尋址能力，眾多的片內寄存器及有效的查表處理方法，可簡便地編制出高效的程序;豐富的片上外設，微處理器上集成了較多的片上外圍模塊，包含：12位A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，看門狗及眾多的輸入輸出接口;執行速度快，執行速度可達8MIPS[4]。非常適合于性能要求高、功耗低的家禽養殖場。

3.1.6 ?GSM模塊 ?采用法國WAVECOM公司Fastrack M1206模塊，該模塊是一種工業級GSM模塊，性能穩定，環境適應性強。使用時配置一個獨立的SIM卡。Fastrack M1206模塊通過串口和監控計算機連接，使用RS232協議通信，通過AT命令控制，比特率可達115 200比特/s。

3.2 ?系統軟件設計

3.2.1 ?監控系統軟件實現 ?在監控計算機（也可設在養殖現場）上由環境監控軟件完成環境各路數據信息遠程傳輸的接收、存儲、顯示以及數據分析和處理，其實現流程見圖3。

3.2.2 ?供用戶訪問的Web頁面功能實現 ?供用戶訪問的Web頁面采用動態網頁ASP和無線標記語言（WML）編程來實現。主要完成對登錄用戶身份的識別，發送最新監控數據，還可以根據用戶的請求發送歷史數據。

3.2.3 ?短信告警功能的實現 ?當禽舍內某一環境參數超出預設的閾值范圍時，例如，夏季高溫天氣，2周齡后的肉仔雞舍內溫度超過30℃時，環境監控系統立即啟動GSM模塊， 自動發送短信告知指定生產管理人員。監控程序與通信模塊之間采用AT指令實現相互之間的控制與通信。報警短信以文本為主，短信格式設置為文本格式。

3.3 ?養殖環境優化控制的實現 ?家禽養殖遠程環境監控系統通過環境控制器連接各種環境控制設備，實現科學調節、按需優化環境的功能。環境控制設備包括各式風機、濕簾、卷簾、通風窗、暖風爐等，主要采用并聯的方式接入主控器，主控器控制模式既可設置為手動控制，又可設置為智能控制。當設置為智能控制模式時，主控器接收并執行異地遠程終端監控軟件發來的指令，從而對環境設備進行合理的調控。

4 ?結論

基于物聯網技術，設計開發的家禽養殖環境監控系統，融智能傳感技術、無線傳輸技術、現代通訊技術于一體，在有線網絡、無線網絡環境下，利用電腦、智能手機等登錄系統，無論在當地還是異地，就可隨時查看家禽養殖環境信息，進而根據環境信息變化及時科學調控舍內小環境，無論是在寒冷冬季，還是在高溫夏季等任何異常的外界環境下，均可確保在標準化養殖模式下家禽安全生產，確保家禽生產性能的正常發揮，有效避免疾病的發生和死亡。

參考文獻：

[1]王莉麗.淺談生產中家禽舍內環境的控制[J].養禽與禽病防治，2008（7）：42-43.

[2] ?姚萬華.關于物聯網的概念及基本內涵[J].中國信息界，2010（5）：22-23.

[3] ?王文山，柳平增，臧管勝，等.基于物聯網的果園環境信息監測系統的設計[J].山東農業大學學報（自然科學版），2012，43（2）：239-243.

[4] ?柳平增，畢樹生，梁勇，等.畜禽養殖環境智能終端的設計與實現[J].計算機工程，2009（10）：20-22.

[5] ?楊彥彬，李寧，盧智嘉.基于移動互聯網的機房環境監控系統設計與實現[J].科技信息，2012（34）：167-168.